Ćwiczenia wstępne - Wydział Chemii UJ

Ćwiczenia laboratoryjne
Z Chemii Organicznej
Ochrona Środowiska
Ćwiczenie opracowane na podstawie :

M. Burgieł, B. Kawałek, S. Lis, M. Jamrozik, K. Ostrowska ,
Laboratoryjne z Chemii Organicznej”
„Ćwiczenia
Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego 1998

Czarny, B. Kawałek, A. Kolasa, P. Milart, B. Rys, J. Wilamowski
„Wprowadzenie do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii organicznej”,
CHLASTS project, Chemical Laboratory Safety Training System, Education and
Culture Leonardo da Vinci, Fundacja Rozwoju Uniwersytetu Gdańskiego, 2005

P. Milart, „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej dla studentów
biofizyki, inżynierii materiałowej, biologii z geografią oraz biologii (kurs
podstawowy)”

materiałów do ćwiczeń laboratoryjnych z chemii organicznej wykorzystywanych
w Zakładzie Chemii Organicznej Wydziału Chemii UJ
oraz
Rysunki w rozdziałach Ekstrakcja oraz Chromatografia zostały częściowo zaczerpnięte z
opracowania:
P. Kreitmeier, „Einführung in die apparativen Methoden in der Organischen Chemie, Ein
Tutorial zum Organischen Praktikum als Hypertextsystem“,
Universität Regensburg
(http://www-oc.chemie.uni-regensburg.de/OCP/methoden/methoden.PDF)
1
Destylacja z parą wodną
Piotr Milart
Destylacja z parą wodną jest wygodną metodą oczyszczania substancji stałych i ciekłych, nie
mieszających się z wodą, lotnych zaś z parą wodną. Opiera się ona na prawie Daltona, które mówi, że całkowita
prężność pary nad mieszaniną niejednorodną stanowi sumę prężności par składników mieszaniny: p = p1 + p2
+...+ pn, niezależnie od ilościowego stosunku składników. Z tego wynika, że dopóki istnieją obie fazy ciekłe,
destylat będzie miał stały skład, a temperatura wrzenia będzie niższa niż każdego ze składników osobno. Stosuje
się więc tę metodę do destylacji cieczy lub ciał stałych (niskotopliwych) o wysokich temperaturach wrzenia lub
do wydzielania lotnego z parą wodną składnika ze złożonych mieszanin. Przykładem takiego zastosowania może
być wyodrębnianie olejków eterycznych z materiałów roślinnych. Jeśli destyluje się z parą wodną znaczne ilości
substancji, to parę wodną wytwarza się i doprowadza do układu z kociołka z podgrzewaną wodą (patrz poniższy
rysunek po lewej stronie), natomiast przy niewielkiej ilości destylowanej substancji wystarczy dodać do kolby z
destylowaną substancją wystarczającą ilość wody i energicznie ogrzewając, prowadzić destylację poprzez łapacz
kropel, co przedstawiono poniżej po prawej stronie.
kolba
destylacyjna
kociołek
łapacz kropel
-----------
dodatkowe
źródło ciepła
--------------
źródło
ciepła
kolba
podnośnik
destylacyjna
laboratoryjny
- -- -- -
Zestawy do destylacji z parą wodną
Minusem destylacji z parą wodną jest konieczność oddzielenia właściwego destylatu
od wody, co w przypadku ciał stałych jest proste (odsączenie i wysuszenie) natomiast
w przypadku cieczy wymaga dość pracochłonnej ekstrakcji.
Destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem służy do oczyszczania lub rozdzielania cieczy o bardzo
wysokich temperaturach wrzenia (znacznie powyżej 200 C) lub takich, które ulegają znacznemu rozkładowi
przed osiągnięciem temperatury wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym. Poprawne i bezpieczne wykonanie
„klasycznej” destylacji pod zmniejszo-nym ciśnieniem wymaga dużego doświadczenia w pracy laboratoryjnej.
Odmianą klasycznej wersji destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem jest destylacja przy pomocy wyparki
obrotowej (rotacyjnej). Służy ona najczęściej do szybkiego usuwania rozpuszczalnika z roztworów związków
organicznych (np. po ekstrakcji rozpuszczalnikiem organicznym z fazy wodnej). Odparowanie przeprowadza się
zazwyczaj pod zmniejszonym ciśnieniem uzyskanym przy pomocy pompki wodnej lub pompy membranowej.
Źródłem ciepła jest łaźnia wodna z regulacją temperatury. W czasie odparowywania cieczy kolba cały czas
obraca się wzdłuż swojej osi, co zapobiega przegrzewaniu się zawartości kolby (nie są konieczne kamyczki
wrzenne) oraz zwiększa powierzchnię parowania. Pary cieczy są ochładzane przez bardzo sprawną chłodnicę
spiralną. Mimo to, w przypadku usuwania rozpuszczalników o bardzo niskiej temperaturze wrzenia (np. eter
dietylowy lub chlorek metylenu), nie zaleca się stosować obniżonego ciśnienia. Chodzi o to, aby uniknąć
wciągania par rozpuszczalnika do pompy. Wówczas jednak należy pamiętać, aby kran na wyparce pozostał
otwarty. Obsługa wyparki jest bardzo prosta. Kolbę destylacyjną nakłada się na szlif szklanej rury wyparki i
dokładnie przymocowuje przy pomocy specjalnej spinki. Uruchamia się silnik i wtedy kolba zaczyna wirować z
zadaną prędkością. W razie potrzeby włącza się pompę i przy pomocy kranu umieszczonego na wyparce
reguluje się ciśnienie wewnątrz urządzenia. Szybkość destylacji kontroluje się przez dobór właściwej
temperatury łaźni wodnej, głębokości zanurzenia kolby destylacyjnej w łaźni oraz stopnia obniżenia ciśnienia.
Należy uważać, aby zawartość kolby nie była przerzucana do chłodnicy i odbieralnika. Po zakończeniu
destylacji trzeba w pierwszej kolejności otworzyć delikatnie kran na wyparce w celu likwidacji podciśnienia.
Następnie można wyłączyć pompę, zatrzymać silnik wyparki, wyłączyć dopływ wody, unieść kolbę ponad
2
poziom wody w łaźni wodnej i zdjąć kolbę ze szlifu rury wyparki. Z odbieralnika należy usunąć destylat. Jeżeli
w czasie destylacji wyparka uległa zabrudzeniu, to trzeba ją wymyć, na przykład przez przedestylowanie
większej ilości acetonu technicznego.
Ekstrakcja (z łaciny: extraho = wyciągam) jest to metoda wyodrębniania z miesza-niny ciał stałych lub
cieczy jakiegoś składnika przy pomocy rozpuszczalnika tak dobranego, aby rozpuszczał przede wszystkim
żądany związek. Chemicy stosują tę metodę do otrzymania związków naturalnych z materiału roślinnego (liści,
kory itp.). Wszyscy korzystamy z tej metody np. przy parzeniu kawy.
W syntezie organicznej produkt reakcji otrzymywany jest często wraz z innymi związkami w postaci
roztworu lub zawiesiny w wodzie. Podczas wytrząsania takiej mieszaniny z nie mieszającym się z wodą
rozpuszczalnikiem, produkt reakcji ulega ekstrakcji i może być następnie odzyskany przez odparowanie
rozpuszczalnika. Ekstrakcja związku z jednej fazy ciekłej do drugiej jest procesem ustalania się równowagi
zależnym od rozpusz-czalności związku w obu rozpuszczalnikach. Stosunek stężenia w jednym rozpuszczalniku
do stężenia w drugim nosi nazwę współczynnika podziału i jest wielkością stałą w danej temperaturze,
charakterystyczną dla danej substancji i określonej pary rozpuszczalników. Prawo to zwane prawem Nernsta
wyraża się następującym wzorem:
cA
cB
gdzie:
= constans = K
cA i cB stanowią stężenia substancji w warstwach A i B,
K - współczynnik podziału
Można przyjąć, że w przybliżeniu współczynnik podziału jest równy stosunkowi rozpuszczalności
danej substancji w obu rozpuszczalnikach. Związki organiczne są zwykle lepiej rozpuszczalne w
rozpuszczalnikach organicznych niż w wodzie i dlatego mogą one być ekstrahowane z roztworów wodnych.
Jeśli do roztworu wodnego doda się elektrolitu, np. chlorku sodu, to rozpuszczalność substancji organicznej
maleje, inaczej mówiąc, substancja ulega wysalaniu. Czynnik ten pomaga wyekstrahować związek organiczny.
Do ekstrakcji i rozdzielania warstw nie mieszających się ze sobą cieczy używa się rozdzielaczy.
Rozdzielacz umieszcza się na dogodnej wysokości w kółku na statywie. Przed użyciem zawsze należy
sprawdzić, czy kran obraca się swobodnie. Wszystkie szlifowane powierzchnie smaruje się bardzo cienką
warstwą specjalnego smaru. Rozdzielacza nie można napełniać więcej niż do ok. 3/4 wysokości. Należy
sprawdzić, czy dolny kran jest zamknięty, a następnie wlewać, najlepiej przez lejek, roztwór wodny i pierwszą
część rozpuszczalnika. Podczas wytrząsania rozdzielacz trzyma się kranem do góry, przytrzymując kran jedną
ręką, a korek drugą. Natychmiast po odwróceniu rozdzielacza należy otworzyć kran w celu wyrównania
ciśnienia i usunięcia powietrza. Po krótkim czasie ostrożnego wytrząsania i kilkakrotnym otwarciu kranu należy
wytrząsać energicznie przez 2-3 minut. Następnie rozdzielacz należy umieścić ponownie w kółku i pozostawić,
aż warstwy dokładnie się rozdzielą. Wtedy dolną warstwę wylewa się po otwarciu dolnego kranu do kolby
stożkowej.
Do ekstrakcji roztworów wodnych używa się rozpuszczalników o mniejszej gęstości (np. eter
dietylowy) lub większej gęstości niż woda (np. chloroform lub chlorek metylenu). W pierwszym przypadku, po
spuszczeniu warstwy dolnej (wodnej), należy warstwę orga-niczną również wylać do kolby stożkowej.
Następnie warstwę wodną przenosi się ponownie do rozdzielacza i ponownie ekstrahuje nową porcją
rozpuszczalnika. W przypadku stosowania rozpuszczalnika „cięższego” od wody, roztwór wodny pozostaje w
rozdzielaczu i może być wytrząsany z kolejnymi porcjami rozpuszczalnika. W każdym przypadku należy
upewnić się, czy warstwa wodna znajduje się na górze, czy na dole rozdzielacza. W tym celu należy zaznaczyć
na rozdzielaczu granicę faz (np. pisakiem), a następnie dodać nieco wody. Zwiększy się wówczas oczywiście
objętość warstwy wodnej. Poniższe rysunki przedstawiają sposób poprawnego posługiwania się rozdzielaczem.
3
Poprawne trzymanie rozdzielacza
podczas ekstrakcji
Zamocowanie rozdzielacza
do statywu
Po ekstrakcji roztwór organiczny jest nasycony wodą i należy go osuszyć. Do tego celu stosuje się
różne sole tworzące hydraty (np. siarczan(VI) magnezu, siarczan(VI) sodu, chlorek wapnia). Roztwór
pozostawia się nad środkiem suszącym przez ok. 20 min., mieszając od czasu do czasu. Następnie odsącza się
środek suszący przez fałdowany sączek i przemywa go małą ilością rozpuszczalnika. Z kolei usuwa się
rozpuszczalnik, stosując wyparkę obrotową, a pozostałość poddaje się destylacji lub krystalizacji.
Celem niniejszego ćwiczenia jest wyodrębnienie z wysuszonego i sproszkowanego materiału roślinnego
olejku eterycznego: goździkowego, pomarańczowego albo anyżowego.
Olejki eteryczne wyodrębniane z materiałów roślinnych stanowią zazwyczaj złożone mieszaniny
różnorakich substancji (węglowodorów, ketonów, aldehydów, alkoholi, estrów). Niektóre rośliny wytwarzają
jednak olejki eteryczne szczególnie bogate w jeden określony składnik, który warunkuje charakterystyczny
aromat przypraw takich jak np. goździki, kminek, wanilia. Olejki eteryczne są wykorzystywane w przemyśle
kosmetycznym, spożywczym, farmaceutycznym i innych.
Olejek goździkowy
Destylacja z parą wodną z zastosowaniem kociołka
Część doświadczalna
Odczynniki:
Sprzęt laboratoryjny:
kolba okrągłodenna ze szlifem 250 cm3
kociołek do wytwarzania pary wodnej
nasadka do destylacji z parą wodną
chłodnica wodna
2 kolby stożkowe
rozdzielacz
lejek szklany
moździerz
komora chromatograficzna, kapilary
W kolbie o pojemności 250 cm3 połączonej poprzez nasadkę do destylacji z parą wodną z kociołkiem i z
chłodnicą umieszcza się 5 g starannie utartych w moździerzu goździków (Eugenia caryophyllata) i 150 cm3
wody. Wodę w kociołku oraz zawartość kolby ogrzewa się energicznie, prowadząc destylację z parą wodną. Po
zebraniu ok. 100 cm3 destylatu proces można zakończyć.
suszone goździki 5,0 g
chlorek metylenu 20 cm3
siarczan(VI) magnezu
płytka do TLC pokryta SiO2
chloroform
Ekstrakcja
Otrzymany destylat przenosi się do rozdzielacza i ekstrahuje dwukrotnie chlorkiem metylenu (porcjami
po ok. 10 cm3 ). Zebrane frakcje organiczne suszy się nad bezwodnym siarczanem(VI) magnezu, a po jego
odsączeniu odparowuje rozpuszczalnik na wyparce obrotowej. W kolbie pozostaje tzw. olejek goździkowy,
którego głównym składnikiem jest eugenol [2-metoksy-4-(2-propenylo)fenol]. Olejek waży się i oblicza
4
wydajność procesu. Głównym składnikiem olejku są: 70-96% eugenol, 2-17% piment i seskwiterpeny np.
kariofilen1. Czystość olejku sprawdza się przy pomocy chromatografii cienkowarstwowej (TLC).
CH3O
CH3O
HO
CH3O
eugenol
piment
 - kariofilen
TLC olejku goździkowego (przed wykonaniem chromatografii należy zapoznać się z
materiałem zawartym we wstępie rozdziału 2 (CHROMATOGRAFIA CIENKOWARSTWOWA)).
Otrzymany w ćwiczeniu olejek goździkowy poddaje się próbie na obecność eugenolu z wykorzystaniem
chromatografii cienkowarstwowej. Eugenol identyfikuje się stosując TLC w układzie SiO2/CHCl3. Należy
nanieść na płytkę próbkę otrzymanego olejku rozpusz-czonego w chloroformie (Uwaga: roztwór ten musi być
bardzo rozcieńczony) i roztwór wzorcowy eugenolu. Położenie plamek obserwuje się pod lampą UV i zaznacza
na płytce ołówkiem.
1. „Chromatografia i mikroskopowa analiza surowców roślinnych. Praktyczne
uzupełnienie do europejskich farmakopei”; Egon Stahl, Państwowy Zakład
Wydawnictw Lekarskich, Warszawa 1973.
5
Krystalizacja
Bożena Kawałek, Sławomir Lis
Stałe związki organiczne otrzymywane podczas syntezy są zazwyczaj zanieczyszczone ubocznymi
produktami reakcji chemicznych. Oczyszcza się je najczęściej przez krystalizację z odpowiednio dobranego
rozpuszczalnika lub mieszaniny rozpuszczalników. Krystalizacja wykorzystuje różnicę rozpuszczalności
związków i zanieczyszczeń w dobranym rozpuszczalniku lub w mieszaninie rozpuszczalników. Na proces
krystalizacji składa się kilka etapów:
a) rozpuszczenie oczyszczanej substancji w wybranym rozpuszczalniku w temperaturze wrzenia,
b) przesączenie gorącego roztworu przez sączek fałdowany celem oddzielenia zanieczyszczeń
nierozpuszczalnych lub słabo rozpuszczalnych,
c) pozostawienie przesączu do oziębienia,
d) oddzielenie kryształów przez odsączenie na lejku Büchnera.
W procesie krystalizacji bardzo ważną rolę odgrywa odpowiedni dobór rozpuszczalnika, który powinien
spełniać następujące warunki:
a) powinien posiadać dużą zdolność rozpuszczania krystalizowanej substancji na gorąco, a niewielkiej w
temperaturze pokojowej lub poniżej tej temperatury,
b) powinien rozpuszczać zanieczyszczenia bardzo dobrze lub w bardzo małym stopniu,
c) powinien być łatwy do usunięcia, tani oraz możliwie nietoksyczny,
d) rozpuszczalnik nie może reagować z oczyszczanym związkiem.
Rozpuszczalność związków organicznych zależy od względnej polarności rozpuszczalnika i substancji
rozpuszczonej oraz od energii rozrywania sieci krystalicznej.
Związki najlepiej rozpuszczają się w rozpuszczalnikach o podobnej budowie. Te związki, w których główną
część stanowią grupy polarne (szczególnie -OH, -NH2, -COOH lub -CONH-) są zazwyczaj lepiej rozpuszczalne
w rozpuszczalnikach o wyższej polarności, takich jak woda, alkohole czy kwas octowy, niż w węglowodorach,
takich jak benzen czy heksan. I odwrotnie, te ostatnie są dobrymi rozpuszczalnikami dla związków o średniej lub
małej polarności.
Kryterium czystości danego związku stanowi jego temperatura topnienia, która nie zmienia się po kolejnych
krystalizacjach. Temperaturę topnienia ciała stałego oznacza się umieszczając niewielką ilość sproszkowanej
substancji w cienkościennej, jednostronnie zatopionej szklanej kapilarze, przymocowanej do termometru
umieszczonego w aparacie Thielego. Aparat ten, wypełniony olejem, ogrzewa się palnikiem i obserwuje kiedy w
kapilarze pojawi się menisk. Niektóre substancje organiczne ulegają podczas ogrzewania rozkładowi
(wydzielanie pęcherzyków gazu, zmiana barwy). Temperaturę topnienia można również oznaczać umieszczając
termometr i kapilarę w tzw. kriometrze (metalowy blok z regulowanym ogrzewaniem elektrycznym). Dla
dokładności oznaczenia w pobliżu temperatury topnienia szybkość ogrzewania nie powinna przekraczać 23o C/min. Jeszcze dokładniejsze oznaczenie temperatury topnienia można uzyskać stosując mikroskop z
ogrzewaną podstawą (aparat Betiusa), na której umieszcza się kryształki substancji. Związek zanieczyszczony
ma zwykle niższą temperaturę topnienia niż substancja czysta.
Krystalizacja z wody
Przed przystąpieniem do krystalizacji należy oznaczyć temperaturę topnienia otrzymanego związku.
Następnie substancję (2,0 g) umieszcza się w kolbie Erlenmeyera o poj. 250 cm 3 i dodaje niewielką ilość wody.
Mieszaninę ogrzewa się do wrzenia z dodatkiem kamyczków wrzennych (ułatwiają wrzenie, zapobiegają
przegrzewaniu się mieszaniny). Gdyby osad nie rozpuścił się całkowicie, dodaje się porcjami wodę
doprowadzając każdorazowo mieszaninę do wrzenia aż do otrzymania klarownego roztworu. Do gorącego
roztworu dodaje się ostrożnie, aby uniknąć nadmiernego pienienia, ok. 1 g węgla aktywnego i ogrzewa roztwór
do wrzenia jeszcze przez kilka minut. Gorący roztwór sączy się przez fałdowany sączek do kolby stożkowej i
pozostawia do krystalizacji.
Szybkie oziębienie roztworu powoduje przesycenie roztworu i wydzielanie się dużej ilości drobnych
kryształków. Kryształy takie posiadają dużo większą powierzchnię, w porównaniu z grubokrystalicznym
osadem, a co za tym idzie wykazują większą adsorpcję zanieczyszczeń na swojej powierzchni. Wskazane jest
więc powolne chłodzenie roztworu w celu otrzymania dużych kryształów. Jeżeli wydzielanie kryształów mimo
oziębienia roztworu zachodzi bardzo trudno, przyspiesza się krystalizację przez dodawanie zarodków
krystalizacji w postaci czystego związku lub pociera się ścianki naczynia szklaną pałeczką.
6
Wykrystalizowany związek oddziela się od roztworu przez odsączenie pod zmniejszonym ciśnieniem na lejku
Büchnera. Osad przemywa się jeszcze czystym, ochłodzonym rozpuszczalnikiem a następnie przenosi się go na
bibułę lub szkiełko zegarkowe i pozostawia do wysuszenia. Wysuszony osad waży się i oblicza wydajność
krystalizacji. Oznacza się temperaturę topnienia związku i porównuje z temperaturą topnienia związku przed
krystalizacją.
Związki do krystalizacji z wody:
Nazwa
Wzór strukturalny
Temperatura topnienia (t.t.)
O
acetanilid
N
H
CH3
t.t. = 114 C
COOH
kwas antranilowy
NH2
t.t. = 144 - 6 C
kwas benzoesowy
COOH
t.t. = 122 C
COOH
Cl
kwas o-chlorobenzoesowy
t.t. = 139 C
OH
2-naftol
COOH
kwas trans-cynamonowy
kwas sulfanilowy
H2N
SO3H
t.t. = 123 C
t.t. = 131-136 C
t.t. = 288 C rozkład
COOH
t.t. = 141 C
kwas m-nitrobenzoesowy
NO2
Krystalizacja z rozpuszczalnika palnego (etanolu)
Około 2,0 g substancji umieszcza się w kolbie okrągłodennej o pojemności 100 cm3, dodaje się niewielką
ilośćrozpuszczalnika oraz kamyki wrzenne. Kolbę zaopatruje się w chłodnicę zwrotną i ogrzewa do wrzenia na
płaszczu grzejnym, aż do rozpuszczenia osadu. Następnie gorący roztwór sączy się przez fałdowany sączek i
pozostawia do krystalizacji. Osad, po odsączeniu na lejku Büchnera, suszy się i waży. Oblicza się wydajność
procesu krystalizacji i oznacza temperaturę topnienia substancji.
7
wylot wody
chłodzącej
(zlew)
etapy wykonania sączka fałdowanego
chłodnica
zwrotna
poprawne umieszczenie
sączka fałdowanego
w lejku szklanym
wlot wody
chłodzącej
(kran)
kolba
kulista
poprawnie dobrany
rozmiar sączka
z bibuły
źródło
ciepła
lejek Büchnera
(powyżej widok od góry)
Związki do krystalizacji z etanolu:
Wzór strukturalny
Nazwa
Temperatura topnienia (t.t.)
O
benzanilid
N
H
O
CH3
t.t. = 163 C
O
t.t. = 110 C
benzoesan 2-naftylu
O
t.t. = 137 C
benzoina
OH
bifenyl
t.t. = 70 C
8
CHO
t.t. = 82 C
wanilina
OCH3
OH
H
N
t.t. = 188-9 C
2-fenyloindol
p-jodonitrobenzen
kwas p-nitrobenzoesowy
I
O2N
NO2
t.t. = 171 C
COOH
t.t. = 240 C
t.t. = 80 C
naftalen
O2N
O
t.t. = 214 C
p-nitroacetanilid
N
H
CH3
9
Chromatografia cienkowarstwowa
Bożena Kawałek
Chromatografia jest metodą rozdzielania polegającą na zróżnicowanym podziale składników mieszaniny
pomiędzy dużą objętościowo fazę ruchomą (ciecz lub gaz) i fazę stacjonarną (ciało stałe lub ciecz). W wyniku
kombinacji tych faz opracowano odpowiednie metody chromatograficzne.
W chromatografii cienkowarstwowej (TLC - Thin Layer Chromatography) fazę stacjonarną stanowi cienka
warstwa adsorbenta (tlenek glinu, żel krzemionkowy, celuloza) naniesiona na płytkę szklaną, lub aluminiową
folię. Wymienione materiały mają silnie rozwiniętą powierzchnię, na której w drodze kolejnych adsorpcji i
desorpcji, następuje wymiana cząsteczek między ciałem stałym, a cieczą przepływającą nad powierzchnią ciała
stałego. Niekiedy wymiana między fazami może polegać na podziale między ciekłą fazą organiczną, a wodą,
która w niewielkich ilościach znajduje się na nośniku. Sposób postępowania w analitycznej chromatografii
cienkowarstowej jest prosty. Na powierzchnię małej płytki pokrytej cienką warstwą adsorbenta nanosi się
kapilarą kroplę badanej mieszaniny w odległości ok. 1 cm od brzegu płytki, następnie płytkę zanurza się tym
końcem w komorze chromatograficznej - zakrytym naczyniu wyłożonym bibułą, zawierającym na dnie eluent.
Rozpuszczalnik wskutek działania sił kapilarnych w warstwie adsorbenta, podnosi się w górę płytki a wraz z nim
wędrują na różną wysokość składniki mieszaniny. Jeśli rozdział dotyczy substancji barwnych, ich plamki na
chromatogramie są łatwo widoczne. W przypadku substancji bezbarwnych płytkę z rozwiniętym
chromatogramem poddaje się działaniu odpowiedniego wywoływacza np. par jodu.
substancje
naniesione
na płytkę
rozwijanie
chromatogram
chromatogramu po rozwinięciu
Suchą płytkę umieszcza się w zamkniętym naczyniu zawierającym na dnie kryształki jodu. Na płytce
pojawiają się brązowe plamy składników mieszaniny, które należy zaznaczyć tuż po wyjęciu płytki, gdyż
wskutek parowania jodu, plamy znikają na powietrzu.
Inny sposób wywołania chromatogramu polega na spryskaniu płytki stężonym kwasem siarkowym, który
powoduje zwęglenie substancji organicznych. Pozycje związków bezbarwnych, fluoryzujących pod wpływem
promieniowania nadfioletowego, można określić umieszczając płytkę w świetle odpowiedniej lampy.
Wielkością charakteryzującą położenie plamki na chromatogramie jest współczynnik Rf obliczany
następująco:
Rf =
odległość przebyta przez substancję
odległość przebyta przez czoło rozpuszczalnika
czoło
rozpuszczalnika
substancja 1
substancja 2
Rf1 =
d1
f
Rf2 =
d2
f
nieprawidłowo
wykonany
chromatogram
start
10
Na współczynnik Rf mają wpływ: rodzaj eluenta, aktywność i struktura adsorbenta, nasycenie komory parami
rozpuszczalnika, temperatura. Jeśli więc stosujemy chromatografię cienkowarstwową w celu identyfikacji
związku, należy nanieść na tę samą płytkę substancję wzorcową.
Chromatografię cienkowarstwową stosuje się ponadto do określania ilości składników mieszaniny, kontroli
czystości związku oraz jako próbę wstępną przy doborze warunków do chromatografii kolumnowej.
TLC barwników roślinnych
Celem ćwiczenia jest potwierdzenie przydatności chromatografii cienkowarstwowej do rozdziału barwników
roślinnych zawartych w liściach pietruszki.
Barwniki roślinne odgrywają poważną rolę w metaboliźmie organizmów żywych. Do najbardziej
rozpowszechnionych należą związki z grupy chlorofili i karotenoidów, biorące udział między innymi w procesie
fotosyntezy.
Chlorofil jest magnezoporfiryną zawierającą układ złożony z czterech pierścieni pirolowych połączonych
wiązaniami -metinowymi. Chlorofil a barwy żółto-zielonej różni się chemicznie od chlorofilu b tym, że w
miejsce jednej grupy metylowej w pozycji C3 chlorofilu a wchodzi grupa aldehydowa. Chlorofil a i b mają po
dwa kwasowe łańcuchy boczne , przy czym jeden z nich zestryfikowany jest alkoholem metylowym, a drugi
tworzy ester z fitolem (C20H39OH). Fitol jest alkoholem o długim łańcuchu, zbudowanym z czterech jednostek
izoprenowych.. Charakterystyczną cechą fizyczną chlorofili jest ich silna czerwona fluorescencja.
Karotenoidy tworzą grupę około 100 naturalnych barwników świata roślinnego, żółtych, pomarańczowych i
czerwonych. Wspólną ich cechą jest rozpuszczalność w tłuszczach i w rozpuszczalnikach tłuszczowych. Są to
związki wysoko nienasycone posiadające 40 atomów węgla, zbudowane z ośmiu połączonych ze sobą reszt
izoprenoidowych. Wszystkie karotenoidy posiadają układ sprzężonych wiązań podwójnych w łańcuchu
węglowym, które są skłonne do tworzenia izomerów geometrycznych cis i trans.
Przygotowanie wyciągu z liści pietruszki
Około 20.0 g liści pietruszki wsypać do moździerza i uciera się z 15 cm3 mieszaniny aceton - eter naftowy
(1:1) przez około 5 min. Ekstrakt przesącza się przez sączek fałdowany. W przypadku pojawienia się warstwy
wodnej, ekstrakt należy przelać do małego rozdzielacza i oddzielić warstwę organiczną. Ciemnozieloną warstwę
organiczną suszy się nad siarczanem magnezu. Po oddzieleniu środka suszącego odparowuje się mieszaninę do
małej objętości ( około 2 cm3 ).
Wykonanie oznaczenia
Na gotową płytkę o wymiarach szkiełka mikroskopowego pokrytą żelem krzemionkowym nanieść punktowo
kapilarą 3 plamki w odległości ok. 0,5 cm od brzegu i ok. 1 cm od dołu płytki. Przygotować komorę do
rozwijania (zamknięty słoik wyłożony bibułą) zawierającą eluent, czyli eter naftowy - alkohol etylowy
bezwodny - toluen (40:4,5:15) do wysokości 0,5 cm. Następnie umieścić płytkę w komorze i rozwinąć
chromatogram. Gdy czoło rozpuszczalnika znajdzie się w odległości 1 cm od górnej krawędzi płytki, należy ją
wyjąć, zaznaczyć czoło rozpuszczalnika i po wysuszeniu obliczyć R f dla poszczególnych barwnych plamek.
Rf barwników roślinnych dla układu eter naftowy - alkohol etylowy bezw. - toluen (40:4,5:15) wynoszą
odpowiednio:
karoten
0,88
chlorofil a 0,62
chlorofil b 0,58
ksantofile 0,00-0,47
Na chromatogramie mogą pojawić się barwne plamy produktów degradacji chlorofili.
11
Wzór strukturalny
Nazwa
--karoten
H3C
H3C
CH2CH3
N
N
Mg
N
H3C
N
CH3
H
Chlorofil a
OC
O
OCH3
O
O
CH3
CH3
H3C
CH3
CH3
OHC
H3C
CH2CH3
N
N
Mg
N
H3C
N
CH3
H
Chlorofil b
OC
O
OCH3
O
O
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
Ksantofil
Luteina
OH
HO
12
Chromatografia kolumnowa
Bożena Kawałek
W chromatografii kolumnowej podział między stały adsorbent i rozpuszczalnik pozwala na rozdzielenie i
wyodrębnienie składników mieszaniny. Adsorbent umieszcza się w pionowej kolumnie zaopatrzonej w kran. Po
rozpuszczeniu próbki w małej ilości roztworu i zaadsorbowaniu jej na górze kolumny, przez kolumnę
przepuszcza się rozpuszczalnik. W tym czasie chromatogram rozwija się na pasma zawierające poszczególne
związki. Następnie pasma te wymywa się kolejno dalszą ilością rozpuszczalnika.
Adsorbenty stosowane w chromatografii muszą spełniać pewne wymagania. A mianowicie: muszą
wykazywać odpowiednią selektywność i aktywność oraz nie mogą reagować z substancjami rozdzielanymi.
Ogólnie można je podzielić na dwie grupy: polarne i niepolarne. Adsorbenty polarne wykazują zmiany
aktywności w zależności od zawartości w nich wody. Są to przede wszystkim tlenek glinu i żel krzemionkowy.
Poza tym są używane tlenki, siarczany i fosforany metali ziem alkalicznych. Cechą adsorbentów niepolarnych
(węgiel aktywny, celuloza, skrobia) jest silne wiązanie rozpuszczalników węglowodorowych.
Na adsorbentach polarnych dobrze adsorbują się związki o charakterze polarnym, natomiast w
przypadku adsorbentów niepolarnych adsorpcja związków zależy od wielkości cząsteczek i od długości
łańcuchów węglowych. Na tej podstawie można sformułować regułę, że związki chemiczne adsorbują się tym
łatwiej na adsorbencie, im bardziej zbliżona jest ich wzajemna polarność.
Dla uzyskania dobrego rozdziału mieszaniny związków obok właściwego adsorbenta bardzo ważny jest
dobór odpowiedniego eluenta.
Zaadsorbowana substancja może zostać wyparta z adsorbenta przez
rozpuszczalnik tylko wtedy, gdy wykazuje on większe od niej powinowactwo do tego adsorbenta.
Rozpuszczalniki można zestawić w szereg eluotropowy według ich wzrastającej polarności a co za tym idzie
zdolności eluowania adsorbowanej substancji z powierzchni adsorbenta.
Szereg eluotropowy rozpuszczalników wg Trapego
1. eter naftowy
2. cykloheksan
3. tetrachlorek węgla
4. trichloroetylen
5. toluen
6. benzen
7. dichlorometan
8 chloroform
9. eter dietylowy
10. octan etylu
11. aceton
12. n-propanol
13. etanol
14. metanol
15. woda
16. pirydyna
Kolejność z jaką składniki mieszaniny są wymywane z kolumny zależy od ich względnych polarności.
Tak więc w przypadku mieszaniny składającej się na przykład z węglowodoru i ketonu osiąga się ich rozdział
dzięki temu, że bardziej polarny keton silniej adsorbuje się na powierzchni adsorbenta, w związku z czym
węglowodór można wyeluować niepolarnym rozpuszczalnikiem; następnie eluuje się keton zmieniając
rozpuszczalnik na polarny. Często stosuje się jako eluent mieszaniny dwóch lub więcej rozpuszczalników.
Proces rozwijania chromatogramu trwa do momentu powstania w kolumnie wyraźnych pasm. W
przypadku rozdziału substancji barwnych obserwacja jest prosta, natomiast gdy rozdzielane substancje są
bezbarwne, stosuje się obserwację kolumny w świetle ultrafioletowym bądź bada wyciek z kolumny. W tym celu
zbiera się stosunkowo małe frakcje i określa się ich zawartość metodą chromatografii cienkowarstowej lub po
odparowaniu rozpuszczalnika analizuje pozostałość (temp. topnienia, analiza widmowa).
Rozdział mieszaniny barwników roślinnych za pomocą chromatografii kolumnowej
Przygotowanie roztworów:
- eter naftowy-aceton (9:1) 60 cm3
- eter naftowy-aceton (7:3) 20 cm3
- aceton 20 cm3
Przygotowanie kolumny
Warunkiem uzyskania dobrych wyników chromatografii jest jednorodne wypełnienie kolumny
adsorbentem. W nierówno wypełnionej kolumnie tworzą się szczeliny i kanaliki, co prowadzi do deformacji
pasm adsorpcji.
13
Jeżeli kolumna nie posiada krążka ze szkła porowatego umieszcza się na dnie niewielką ilość waty i
jednocentymetrową warstwę piasku. W zlewce o poj. 10 cm 3 sporządza się papkę z 4.0 g żelu krzemionkowego
i mieszaniny rozpuszczalników eter naftowy-aceton (9:1) 6 cm3. Papkę wlewa się przez lejek do kolumny . Po
odczekaniu aż adsorbent osiądzie, spuszcza się dołem kolumny nadmiar rozpuszczalnika. Po osadzeniu się
adsorbentu ostukuje się delikatnie kolumnę aż ułoży się on w jednolitą, dość zwartą warstwę. Zarówno podczas
napełniania kolumny, jak i w czasie rozwijania chromatogramu powierzchnia adsorbentu musi być zawsze
przykryta rozpuszczalnikiem. Wysuszenie wierzchniej części kolumny powoduje powstanie w niej kanalików,
co znacznie zmniejsza sprawność kolumny. Po naniesieniu adsorbentu nasypuje się na wierzch cienką warstwę
piasku i spuszcza rozpuszczalnik z kolumny do wysokości 0.5 cm nad powierzchnią piasku.
Rozwijanie chromatogramu
Ekstrakt mieszaniny barwników roślinnych (2 cm3) wlewa się do kolumny, tak aby nie zaburzyć
powierzchni adsorbentu. Następnie otwiera się kran i czeka, aż próbka zostanie całkowicie zaadsorbowana. Po
czym nalewa się eluent eter naftowy-aceton (9:1) 1 cm3 do kolumny i ponownie czeka się, aż eluent zostanie
zaadsorbowany. Czynność powtarza się aż do otrzymania bezbarwnej klarownej warstwy eluentu nad
powierzchnią adsorbentu. Następnie dodaje się małymi porcjami eluent zbierając oddzielnie bezbarwną i
pomarańczową frakcję. Po czym zmienia się eluent na eter naftowy-aceton (7:3) 20 cm3 zbierając oddzielnie
frakcje: szaro-zieloną, ciemno zieloną oraz zielono-żółtą. Po zebraniu frakcji chlorofili acetonem wymywa się
ksantofile. Otrzymane frakcje poddaje się chromatografii TLC w celu identyfikacji barwników.
14
Destylacja
Maria Burgieł
Jest to metoda rozdzielania ciekłych układów wieloskładnikowych oparta na różnej lotności poszczególnych
składników. Polega ona na odparowaniu najbardziej lotnego w danych warunkach ciśnienia i temperatury
składnika, następnie na skropleniu par i zebraniu skroplonej cieczy (destylatu) w innym naczyniu. Rozróżnia się
dwa zasadnicze typy destylacji, destylację prostą i destylację frakcjonowaną. W destylacji prostej, pary cieczy
poddaje się skropleniu przez bezpośrednie oziębianie, co pozwala z reguły tylko na zagęszczenie składników
mieszaniny w poszczególnych frakcjach destylatu. W destylacji frakcjonowanej pary znad destylowanej cieczy
pozostają w kolumnie w kontakcie z cieczą już wzbogaconą w składniki o większej lotności. W wyniku
wymiany między tymi fazami następuje lepsze rozdzielanie mieszaniny.
Podczas ogrzewania cieczy, prężność pary wzrasta, aż do momentu gdy staję się równa ciśnieniu
atmosferycznemu i rozpoczyna się wrzenie, czyli temperatura wrzenia cieczy jest to temperatura, w której
prężność par cieczy jest równa ciśnieniu atmosferycznemu w dowolnym punkcie na powierzchni fazy ciekłej.
W czasie destylacji cieczy, pary z kolby destylacyjnej podnoszą się do góry i ulegają częściowemu
skropleniu, aż do osiągnięcia równowagi termicznej. Odczytywana wtedy temperatura jest temperaturą wrzenia i
pozostaje stała tak długo, jak długo istnieją obie fazy ciekła i gazowa.
Gdy destylujemy dwie mieszające się w każdym stosunku ciecze, zachodzi proces, który można przedstawić
następującym wykresem równowagi fazowej ciecz - para.
Symbole TA i TB oznaczają temperatury wrzenia czystych związków A i B. Krzywe te niezależnie od
temperatury i ciśnienia nie pokrywają się i skład pary w stanie równowagi różni się od składu cieczy. Gdy
równomolową mieszaninę substancji A i B, której skład przedstawia punkt X 1 ogrzeje się do temperatury T1,
powstające pary będą miały skład X2 i będą bogatsze w niżej wrzący składnik.
Jeśli część par zostanie odprowadzona z układu, to punkt przedstawiający na wykresie skład cieczy przesunie
się na prawo, to znaczy, że ze względna wartość składnika B w mieszaninie zwiększy się, a temperatura zostanie
podwyższona. W wyniku dalszej destylacji mieszaniny otrzyma się destylat stopniowo bogatszy w składnik B,
ale wszystkie frakcje będą zawierały oba składniki. W rezultacie, podczas destylacji prostej mieszaniny dwóch
cieczy, których temperatury wrzenia różnią się mniej niż o 50 o C nie uzyska się rozdzielenia, a temperatura w
czasie destylacji będzie stale wzrastała (linia przerywana rys. 2).
Efektywność rozdzielenia cieczy drogą destylacji można zwiększyć, jeśli parę o składzie X2
(rys. 1) skroplić, a powstałą ciecz ponownie ogrzewając doprowadzić do stanu równowagi z fazą gazową. Tym
razem pary będą miały skład XB i będą jeszcze bardziej wzbogacone w niżej wrzący składnik A. Powtarzając
ten proces wielokrotnie można otrzymać końcowy destylat będący prawie czystym składnikiem A. Proces ten
nazywa się destylacją frakcyjną i prowadzi się go w kolumnie destylacyjnej (deflegmatorze), w której na dużej
powierzchni zachodzi wielokrotna wymiana między fazą ciekłą i gazową. Dużą powierzchnię w małej objętości
uzyskuje się wypełniając kolumnę metalowymi pierścieniami, lub szklanymi kulkami, albo w deflegmatorach
typu Vigreux - z naprzemiennymi wgnieceniami. Destylacja frakcjonowana prowadzona powoli na wydajnej
15
kolumnie przebiega w sposób przedstawiony linią ciągłą na rys. 2. Frakcje zbierane przy stałej temperaturze są
praktycznie czystymi składnikami wyjściowej mieszaniny.
Aparatura do destylacji składa się z następujących elementów:
- kolby okrągłodennej,
- chłodnicy destylacyjnej,
- termometru,
- odbieralnika,
- deflegmatora (w destylacji frakcjonowanej).
- płaszcza grzejnego
Kolbę destylacyjną zawierającą 30 cm3 mieszaniny metanolu (t.w.lit = 64,7 °C) i 1-butanolu (t.w.lit = 117,7
°C) razem z kamyczekiem wrzennym umieszcza się na płytce grzewczej (płaszcz grzejny, łażnia wodna).
Montuje się chłodnicę destylacyjną. Podłącza się ją do wody w taki sposób, żeby woda wpływała niższym, a
wypływała wyższym odpływem. Na końcu chłodnicy umieszcza się odbieralnik. Może to być kolba stożkowa,
kolba okrągłodenna, lub butelkę ze szlifem. W zasadzie nie powinno się używać zlewki. Termometr umieszcza
się w ten sposób, aby zbiorniczek rtęci znajdował się na przeciw wlotu par do chłodnicy destylacyjnej (rys. 3).
termometr
nasadka
destylacyjna
Zestaw do
destylacji prostej
chłodnica
przedłużacz
źródło
ciepła
wylot wody
chłodzącej
(zlew)
kolba
destylacyjna wlot wody
chłodzącej
(kran)
odbieralnik
Szlify w zestawionej aparaturze można posmarować bardzo cienką warstwą smaru. Nadmiar smaru
zanieczyszcza destylowaną ciecz. Istotną sprawą jest dobór odpowiedniego rozmiaru kolby destylacyjnej. Przy
rozpoczęciu destylacji kolba nie powinna być napełniona więcej niż do dwóch trzecich objętości. Dodanie
kamyczka wrzennego ma na celu zapewnienie równomiernego wrzenia, ułatwia bowiem powstanie pęcherzyków
pary. Bez kamyczka wrzennego następuje przegrzewanie cieczy i rzucanie. Jeśli zapomniałeś o kamyczku
wrzennym, a ciecz jest już gorąca i prawdopodobnie przegrzana, przed dodaniem kamyczka wrzennego trzeba
ciecz ochłodzić, w przeciwnym razie może nastąpić wyrzucenie cieczy.
Uwaga: Kamyczki wrzenne są jednorazowe i po każdym przerwaniu wrzenia należy dodać świeży kawałek
porowatej porcelany o średnicy do 4 mm.
Po rozpoczęciu wrzenia, w kolbie można zauważyć pierścień skraplającej się pary podnoszący się w kolbie i
nasadce chłodnicy destylacyjnej. Termometr zaczyna wskazywać wzrost temperatury aż do chwili, gdy zacznie
się destylacja.
Ogrzewanie należy uregulować tak, aby szybkość destylacji wynosiła 1 kroplę na sekundę. Przy zbyt
intensywnym ogrzewaniu duża ilość destylatu przechodzi jako niżej wrzący przedgon. Jeśli destylacja jest zbyt
wolna można, z powodu strat ciepła, nie zaobserwować prawdziwej temperatury wrzenia.
Uwaga: Nigdy nie należy destylować substancji "do sucha", czyli do całkowitego opróżnienia kolby
destylacyjnej..
16
Destylację prostą prowadzi się w aparaturze przedstawionej na rys. 3, a destylację frakcjonowaną w
aparaturze pokazanej na rys. 4. Ogrzewanie w czasie destylacji frakcjonowanej reguluje się tak, aby wypełnienie
kolumny na całej długości było zwilżone kondensatem i aby nie tworzyły się "korki" cieczy. Dłuższe kolumny
ogrzewa się zewnątrz aby uniknąć strat ciepła, lub można je owinąć kocem szklanym.
Zestaw do
destylacji frakcyjnej
kolumna destylacyjna
(deflegmator)
Rys. 4. Zestaw do destylacji frakcyjnej z kolumną Vigreux
Ćwiczenie - destylacja prosta.
Zestawiamy aparaturę przedstawioną na rys. 3. Do kolby destylacyjnej wlewamy 30 cm 3 mieszaniny
metanolu i 1-butanolu. Kolbę ogrzewamy na płaszczu grzejnym i oddestylowujemy ok. 28 cm 3 mieszaniny z
szybkością 2 cm3/minutę. Notujemy temperaturę wrzenia na początku i temperaturę wrzenia po odebraniu
każdych 2 cm3 destylatu.
Destylacja frakcjonowana.
Montujemy aparaturę tym razem z kolumną destylacyjną i destylat z poprzedniego ćwiczenia wlewamy
do kolby. Destylujemy go ponownie na kolumnie notując jak poprzednio temperaturę wrzenia po odebraniu
każdych 2 cm3 destylatu.
Na wspólnym wykresie, sporządzamy zależność temperatury wrzenia od ilości destylatu dla obu
przeprowadzonych destylacji.
17